苏 霞 韩艳菊 王 巨 罗梦佳 于姗姗 郑鸿耀

（北京无线电计量测试研究所，北京100039）

1 引 言

随着无线通信和现代国防技术的发展，晶体振荡器作为常用的频率源，广泛应用于卫星、导航、通信、雷达以及测量仪表等电子设备中，被称为电子系统的“心脏”。而恒温晶体振荡器因其具有频率温度稳定性好、相位噪声小、可靠性高等优点，更是受到中、高端电子设备的青睐。同时，整机设备的进步和发展也对恒温晶振提出了更高的要求，小型化、高频化、低相噪、高稳定、快速启动势必将会成为其今后发展的方向。

如今，国内对晶体振荡器的研究已有了突飞猛进的发展，就目前来看，对于100MHz小型恒温晶振，国内大部分产品的指标可以达到短期稳定度1E-11/1s的量级，典型相位噪声-100dBc/Hz@10Hz、-155dBc/Hz@1kHz、-165dBc/Hz@10kHz，但难以做到同时具有较好的近端和远端相噪。本文所设计的晶振在短期稳定度上有了进一步的提高，可以进入5E-12/1s量级，同时在相位噪声上也有一定的提升，并且能较好的兼顾近端和远端相噪。

2 设计方案

本产品的主要技术指标要求如下：

1）输出频率：100MHz

2）输出功率：≥ 8dBm

3）谐波失真：≤ -30dBc

4）杂波响应：≤ -80dBc

5）短期稳定度：≤5E-12/s

6）相位噪声：£（10Hz）≤ -105dBc/Hz

£（100Hz）≤ -135dBc/Hz

£（1kHz）≤ -160dBc/Hz

£（10kHz）≤ -170dBc/Hz

7）尺寸：25.4mm×25.4mm×12.7mm

从上述指标可以看出，该产品的设计难点是体积较小、短期稳定度和相位噪声要求较高，另外，由于元器件排列紧密，工作频率较高，故各元器件之间以及印制板上的分布电容对于振荡电路相位噪声等性能的影响就显得尤为突出，因此在元器件选用、布板和电路结构设计上都有更多需要考虑的因素。晶振外形结构如图1所示。

图1 晶振外形尺寸图Fig.1 Outline dimension of OCXO

2.1 电路结构

恒温晶振主要组成部分包括振荡部分和控温部分，其中振荡部分又包括主振电路、隔离放大电路、滤波电路等，电路结构如图2所示。

图2 电路结构图Fig.2 Structure diagram of circuits

2.2 关键元器件的选用

恒温晶振设计中，晶体、晶体管、稳压器等器件的选用最为关键。

目前，比较常用的晶体主要有AT切型和SC切型两种。由于SC切晶体具有开机特性好、Q值高、老化率低、频率温度系数小、短期稳定度好等特性，逐渐成为恒温晶振最常用的晶体类型。但SC切晶体的频谱比较复杂，尤其是它的B模振动频率只比所需的C模振动频率高9.4%，而且其等效串联电阻和C模相当，有时甚至比C模电阻还小，因此在使用SC切晶体时，振荡电路很容易振到B模振荡频率上，故在电路设计中需要加入专门的B模抑制网络来加以抑制［1］。在本设计中，最终选择SC切5次泛音晶体。

晶体管是电路中重要的有源器件，根据Leeson相位噪声公式可知，管子输出功率高、放大电路噪声小、电路有载Q值高都有利于晶振相噪的降低，因此在选用晶体管时应选择噪声系数小、截止频率高、基极电阻小、集电极电容小的管子，同时，较高的β值也可提高电路的有载Q值。

为保证电路获得稳定的、纹波小的直流电压，稳压器是必不可少的，然而它引入的噪声也是不容忽略的。基于本文晶振的低相噪要求，在设计时应选用低噪声稳压器［2，3］。

2.3 振荡电路设计

前面已经提到，振荡电路包括主振电路、隔离放大电路、滤波电路等，振荡电路是恒温晶振最关键的部分，它设计的好坏，直接影响到恒温晶振的频率稳定性、输出幅度、相位噪声等参数。

2.3.1 主振电路

主振电路的作用是将直流能量转换成所需振荡频率的交流能量，是晶体振荡器的核心。本设计的主振电路采用改进的Colpitts电路，晶体接在集电极与基极之间，且集电极交流接地［4］。同时在经典电路基础上做了改进：晶体一端不直接接地，通过接入下一级共基放大电路的输入端的方式完成接地。其等效电路图如图3所示。

图3 主振等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of oscillating circuit

图3中，晶体接地，易于校频、压控，具有调试量小、起振容易、性能可靠等优点。且振荡信号直接从晶体引出，充分利用了其本身的选频特性，能够获得更好的相位噪声、短期稳定度等性能。

图3中，B模抑制网络为LC串联谐振回路，等效为电容C1'，其回路谐振频率满足式（1），用于抑制B模振荡：

式中：f0——中心振荡频率；fB——B模振荡频率。

图3中，电容C2'为LC并联谐振网络的等效电容，该并联回路谐振频率满足式（2），用于抑制低频泛音：

式中：f0——中心振荡频率；f3次泛音——3次泛音振荡频率。

由图3可以看出，这是一个电容三点式振荡电路［5］。晶体所在支路等效为电感L，与等效电容C1'、C2'共同构成该电容三点式振荡电路。当并联谐振回路谐振时，振荡电路满足振荡的相位平衡条件，可得电路中心振荡频率f0为：

式中：C=C1'C2'/(C1'+C2')——并联谐振回路总电容值。

电路反馈系数近似为：

通过合理设计等效电容C1'、C2'，使电路获得较高的等效Q值，利于起振，且能得到较大的输出电压幅度。

设计中加入中和电感与晶体并联，可以提高晶体有载Q值，增强振荡激励，利于起振。变容二极管用于调频和压控，将其与电容并联后，再串联电容（等效为图3中CL），可在一定程度上改善线性度，还能有效地控制压控灵敏度。

2.3.2 隔离放大和滤波电路

隔离放大电路是为了进一步提高晶振的稳定性而设计的电路。为了减小负载变化对振荡级的影响，第一级隔离放大级为上一节提到的共基放大电路，该电路的输入阻抗很小，且具有非常好的高频特性，利于低相噪高频晶振的设计。

第二级放大电路采用共发射极形式，如图4所示，该电路具有较大的电压放大倍数和适中的输入输出阻抗。两级放大电路的加入，既可实现功率的放大，又可减小负载变化对晶体振荡器频率稳定度的影响，提高了晶振带负载能力［6］。

图4 共射放大电路Fig.4 Common emitter amplifying circuit

本设计在两级放大电路后端都加入π形滤波网络，有利于抑制谐波失真，降低相位噪声，同时较好地实现阻抗匹配。

2.3.3 电磁兼容设计

小型晶振由于体积较小，产品内部信号更容易相互干扰，且在实际工作中，所处的电磁环境都比较复杂，因此在设计和布板布线时，电磁兼容的影响必须考虑在内。

在元器件选择上，由于表贴元件的寄生参数远小于直插式元件，故在设计中，均选用体积小、寄生参数低的小封装表贴元件，在大大减小寄生的同时，又节省了空间，更利于产品小型化的实现。

在电路设计上，加入滤波电容，防止传导性电磁干扰串入电路或从电路中泄漏。考虑传导、发射等因素，对电源线进行滤波是抑制干扰最有效的手段。电源在提供能源的同时，也会引入噪声，因此在电路的电源输入端加入滤波电容，滤除交流噪声信号。

在布局布线上，保证信号线走线尽量短，环路面积尽量小，利于将辐射发射出去且降低辐射敏感度；同时在信号线间铺地，避免平行走线，尽量增大间距，增强隔离性，以便减小高频信号线间的发射和耦合；布线采用135°折线，避免出现90°折线。

2.4 控温电路设计

控温电路与恒温槽共同构成了控温系统，控温电路控温能力的好坏，对于晶振频率温度稳定性有直接的影响。本设计采用的是基于双运放的直流放大连续控温电路，原理图如图5所示，包括功率管V1、稳压器V2、高增益运放N1和N2及电阻桥式电路。由于产品体积较小，因此将整个腔体看作恒温槽，晶体压在焊于电路板的铜板上，功率管紧靠铜板放置，通过铜板给晶体加热。经合理排布晶体、功率管和热敏电阻的位置，在实现小型化的同时，提高系统的控温精度［7］。

图5 控温电路原理图Fig.5 Schematic diagram of temperature-controlled circuit

对于运放N2，其正负两端输入电压为：

式中：VN2+——运放N2正端输入电压，VN2-——运放N2负端输入电压，Vcc——电源电压，Vo——稳压器输出电压，VN1out——运放N1输出电压，I——流过电阻R3的电流，近似为功率管发射极电流。

由于接通电源瞬间，电流I=0；热敏电阻阻值较大，其支路提供一个较高的电压加到运放N1的负端，此电压大于正端两电阻分压提供的固定电压，故此时运放N1输出低电平，即VN1out=0。故式（5）、（6）可简化为：

因此，

运放N2输出低电平，功率管V1导通，电流I迅速增大，导致VN2-减小，当VN2+=VN2-时，达到平衡状态，此时近似为晶振最大电流。

随着功率管的不断加热，晶振内部温度升高，热敏电阻阻值减小，运放N1负端电压减小，当负端电压降到略低于正端电压时，N1输出电压VN1out升高，由式（5）知VN2+升高，此时VN2+＞VN2-，导致运放 N2输出电平升高，即V1b升高，由于V1的b、e端有固定压差0.7V左右，故V1e抬高，I减小，因此电流开始下降，功率管加热功率降低。当功率管加热速率与晶振散热速率相等时，晶振内部维持在一个恒定的高温温度，达到动态平衡。通过调节热敏电阻支路的固定电阻，可以改变恒温工作温度，晶振的工作温度位于晶体温频曲线的高温拐点处，此时频率相对于温度的变化是最小的，可以获得较好的频率温度稳定性。

晶振的最大电流Imax可通过式（10）～（13）确定：

式中：k——运放N2放大倍数。

将式（5）、（6）带入可得：

由于k很大，故上式右端近似为0，进而推出晶振最大电流：

从式（13）可以看出，最大电流可完全由电阻确定，在实际调试中，通过调节电阻R1和R2的比例，即可调节最大电流。因此，该电路的优点就在于晶振的最大电流不会因晶体管β参数离散而离散，易于调节，而且几乎无过冲电流，电流稳定迅速，开机启动快。

运放N1的反馈回路接成比例积分式，有利于提高控温系统的灵敏度，缩短加热稳定时间，同时，也将大大减小由于电源电压抖动带来的频率变化［8］。

3 测试结果

根据以上方案，设计了100MHz小型恒温晶振产品，其产品实物照片如图6所示。经测试性能指标良好，测试结果见表1，其相位噪声测试曲线如图7所示。

图6 产品实物照片Fig.6 Photo of OCXO

表1 电性能测试结果Tab.1 Performance of OCXO

图7 相位噪声测试曲线Fig.7 Phase noise test curve

从表1测试数据可以看出，产品相位噪声达到 -140 dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-172 dBc/Hz@100kHz；短 期 稳 定 度 达 2.11E-12/1s；在-40℃～70℃的工作温度范围内，频率温度稳定性达到±3.0E-8。所有测试结果均满足指标要求，并且一些指标仍有一定的裕量。

4 结束语

本文基于晶体振荡器的基本理论，针对高频晶振设计特点，对经典Colpitts电路进行改进，提高Q值，优化B模抑制网络，使得调试方便，且有效地降低了噪声。控温部分采用改进的直流连续控温电路，提高了控温精度，抑制了电流过冲。在布板上增强信号线隔离屏蔽，减少线间干扰，提高电磁兼容能力。最终获得较高的性能指标：相位噪声达到 -140dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-172dBc/Hz@100kHz；短期稳定度达 2.11E-12/1s；频率负载允差±2E-9；在-40℃～70℃的工作温度范围内，频率温度稳定性达到±3.0E-8。该产品具有体积小、短期稳定度好、相位噪声低、频率温度稳定性好、带负载能力强及可靠性高等优点。经过小批量试制，成品一致性较好，目前已形成产品，供用户使用，顺应了小型化发展趋势，在雷达、通信等领域具有广泛的应用前景和价值。